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    3. 疫情背景下污水中的表面活性劑對污水處理效果的影響與機理
      * 來源 : E方知庫期刊群 * 作者 : 郝曉地等 * 發表時間 : 2021-08-16 * 瀏覽 : 173

      本期向大家推薦團隊發表在《環境工程學報》2021年第6期上的研究綜述《疫情背景下污水中的表面活性劑對污水處理效果的影響與機理》。本文綜述了新冠疫情背景下,更多表面活性劑進入污水處理廠后,對污水處理過程的負面影響與污水處理廠的應對措施,及其對污泥處理過程產生的積極影響,以期對污水處理廠在疫情背景下的運行措施調整提供參考。

        01

        Main points

        文章亮點

        1)新冠疫情使人們洗手消毒的頻次增加,導致更多的表面活性劑進入污水處理廠。污水經處理后,其中的表面活性劑僅1%隨出水外流,約10%~20%則進入剩余污泥。

        2)盡管污水中表面活性劑的宏觀含量并不高,但其特殊兩性分子結構會降低氧傳質效率、破壞污泥絮體結構,并影響脫氮除磷微生物的活性與豐度。

        3)在污泥處理方面,表面活性劑會對污泥絮體脫水、解體與增溶產生正面效果,甚至還能促進污泥厭氧消化水解酸化。

        4)有必要對表面活性劑來源、結構及其遷移轉化進行梳理,進一步探明其對污水處理過程的負面影響與污水處理廠的應對措施,以及表面活性劑對污泥處理過程產生的積極影響,以期為污水處理廠在疫情背景下的運行措施調整提供參考。

        02

        Introduction

        內容簡介

        根據表面活性劑基團類型,可將其分為陰離子型、陽離子型、非離子型以及兩性離子型,非離子型和陰離子型兩類市場使用量最大,分別占比56.1%和36.8%。

        表面活性劑大多為有機成分,對難生物降解和不可生物降解表面活性劑來說,它們絕大部分會被污泥吸附,隨剩余污泥而排出系統,只有很少部分溶解態表面活性劑會隨出水以COD形式排放。因此,應該關注的是可生物降解表面活性劑,然而即使是可生物降解表面活性劑,其在生物處理過程中能真正實現降解也并非易事,不但會造成能耗與成本增加,而且降解在很多情況也只是母體降解表象,代謝中間產物的毒性甚至可能會比母體還高。

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        1. 表面活性劑對污水處理過程的影響

        表面活性劑進入污水后,在污水生物處理過程中會對曝氣、生物反應等產生負面影響,且濃度越高影響越大。表面活性劑對污水生物處理過程產生負面影響主要體現在三方面:氧傳質、污泥絮體、微生物抑制。

        1.1

        降低氧傳質效率

        傳統觀點:表面活性劑是微溶有機大分子物質,具有強親水端和強疏水脂肪族/芳香端。曝氣過程中,疏水端吸附在氣液界面,而親水端則延伸至本體溶液中,形成有序分子單層。分子單層結構會施加阻塞效應,增加界面粘度,會降低空氣與液相之間的氧傳質效率。但也有相佐研究,稱表面活性劑分子晶格結構會阻礙氫鍵作用力,導致氣泡體積變小,進而降低表面張力,使氣泡均勻分布于氣-液界面,致使液相含氣率提高,即,可改善氧傳質。綜合兩種相佐作用,前者對液體傳質的負面效應遠遠高于后者,最終表現為降低氧傳質效率。

        新穎觀點:較低濃度表面活性劑存在時高濃度表面活性劑存在情況下,表觀粘度(μapp)與細胞碎片增加很可能是OTE降低的原因,OTE可能會因生物降解表面活性劑或生物降解其裂解的EPS,從而加快氧傳質效率,污泥氧轉移性能主要取決于污泥形態參數,如,MLSS,SV30,絮體直徑和μapp等,而與進水表面活性劑關系不大。

        1.2

        破壞污泥絮體

        污泥絮體與表面活性劑結合會影響絮體形態,導致絮體中結合松散的EPS(LB-EPS)破裂,進而影響緊密的EPS(TB-EPS)、甚至細胞結構。

        1.3

        抑制微生物活性

        表面活性劑對污水處理涉及微生物影響包括幾個方面:1)低濃度時可用作碳源,一定程度可助厭氧釋磷或反硝化,而高濃度表面活性劑則會對微生物產生毒性作用;2)對微生物細胞膜等結構產生破壞作用,而對膜電位影響可能改變代謝控制,甚至可能與細胞膜物質直接作用,導致細胞膜溶解,進而影響優勢菌屬類別以及菌屬相對豐度;3)通過靜電或疏水相互作用與酶蛋白催化殘基結合,導致酶活性降低;4)表面活性劑作為一種活性基團,可與基質大分子(淀粉、蛋白質、肽和DNA等)結合,嚴重時它們會直接插入各種細胞結構片段(如,細胞膜磷脂雙分子層),進而導致功能失調。

        2. 對污泥處理的影響與潛在利用

        2.1

        污泥脫水預處理

        表面活性劑具有和聚丙烯酰胺類似功能,可以用作脫水助劑,能大幅度降低濾餅水分含量。具體來說,表面活性劑親水基團會與蛋白質結合,從而損害生物膜功能性和完整性;而疏水基團與脂質結合,可導致膜液化、損害其屏障特性。與此同時,表面活性劑攜帶的電荷效應會在一定程度上中和污泥表面電荷,降低污泥之間靜電斥力,使污泥絮體變得松散;表面活性劑也會增加細胞疏水性,促進細胞與細胞之間的相互作用,進一步誘導污泥絮體從親水性液相中脫出,從而提高沉降速率和脫水性能。

        2.2

        厭氧消化

        2.2.1 促進水解酸化

        表面活性劑可以促進污泥水解,其作用機理包括:1)增溶;2)酶釋放。表面活性劑通過降低表面張力或形成膠束來增強顆粒的溶解度,引起污泥物質分解,特別是EPS,會釋放更多蛋白質和碳水化合物,表現為聚集態大分子有機物轉化為小分子或溶解態物質,增加厭氧消化產甲烷階段可利用的底物濃度。另一方面,酶和EPS之間由于存在靜電相互作用,形成穩定的EPS-酶復合物,EPS釋放也意味著水解酶可以從污泥中釋放出來,從而提高了水解效率。

        表面活性劑對污泥水解影響機理(來自原文)

        2.2.2 抑制產甲烷

        厭氧消化系統中表面活性劑抑制產甲烷可能與兩個原因密切相關:1)直接抑制產甲烷,阻斷轉化途徑;2)抑制產甲烷菌群,破壞不同厭氧種群之間存在的共營養關系,導致系統失衡。

        2.3

        污泥資源化

        剩余污泥EPS具有高值回收潛力,而表面活性劑有助于EPS與細胞分離,在EPS提取與回收中發揮“事半功倍”的效果,其機理主要是表面活性劑參與能部分剝離蛋白質四級和三級結構,從而實現EPS分離提取。表面活性劑不僅可實現物質分離,也可以實現提取物質增產。添加表面活性劑后EPS粒徑明顯減小,意味著表面活性劑可能僅僅是整體提高了EPS溶出或溶解過程而提高了EPS產量。不同表面活性劑種類提高效果不同,這表明表面活性劑因自身結構不同亦會產生獨特的增產機理。

        原文發表于《環境工程學報》:郝曉地, 楊振理, 李季. 疫情背景下污水中的表面活性劑對污水處理效果的影響與機理[J]. 環境工程學報, 2021, 15 (06): 1831-1839.

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